Doutorando : José Alberto Nicolau de Oliveira Orientador:

1. PPgEE - UFRN Tese de Doutorado PLATAFORMA DE EMBARQUE PARA IMPLEMENTAÇÃO DE FUNÇÕES DE CONTROLE DE TEMPO REAL EM REGULADORES DE TENSÃO UTILIZADOS EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA. Doutorando: José Alberto Nicolau de Oliveira Orientador: Prof. Dr.-Ing. Manoel Firmino de Medeiros Jr. Co-orientador: Prof. Dr. Ivan Saraiva Silva

2. Proposta • Desenvolvimento de uma plataforma de embarque para automação e controle, em tempo real, de equipamentos reguladores de tensão, usados em redes de distribuição de energia elétrica. • Implementação de um circuito que, a partir do ajuste das tensões de saída de um banco regulador trifásico, forneça níveis adequados de tensão em determinados nós de um alimentador.

3. Sumário • Introdução: contextualização do problema • Regulação de tensão • Sistemas embarcados de tempo real • Projetos Baseados em Plataforma • Definição da Plataforma Alvo • Definição das tensões de regulação baseada na linearização de parâmetros de sensibilidade

4. Sumário • Avaliação dos efeitos causados, em redes de distribuição trifásicas, por variações de tensões impostas nas saídas dos reguladores. • Implementação e teste da Plataforma Alvo • Conclusão • Trabalhos publicados • Dedicatórias e agradecimentos*

5. Introdução: contextualização do problema • O objetivo primário de qualquer sistema de distribuição de energia elétrica é garantir qualidade do fornecimento de energia aos seus consumidores. • Principais fatores que prejudicam a qualidade: • a regulação da tensão no ponto de entrega de cada consumidor fora de padrões estabelecidos. • os centelhamentos causados pelas repetitivas e rápidas mudanças de tensão na rede de distribuição. • os desbalanceamentos de cargas - responsáveis pelos desequilíbrios nas tensões entre as fases.

6. Introdução: contextualização do problema • Como atenuante a estes problemas, as fornecedoras de energia elétrica optam por incluir reguladores de tensão ou bancos de capacitores ao longo do alimentador. • No entanto, a distribuição destes equipamentos é fortemente dependente da topologia da rede e totalmente orientada por exaustivas análises de fluxos de carga. • Análises estas feitas em suas unidades de planejamento onde, são consideradas regras cotidianas previsíveis e mudanças sazonais de carregamento. • Em geral, carregamentos fixados em todas as seções do alimentador seguindo padrões similares.

7. Introdução: contextualização do problema • No caso do uso de reguladores, ainda são premissas do engenheiro de planejamento definir: • sobre a melhor localização do regulador no alimentador; • que tensão deverá ser mantida em sua saída; • que ajustes devem ser feitos no circuito LDC do regulador para que se tenha a tensão desejada em um determinado ponto remoto. • Ressalva: o modelo do LDC é o de um circuito estático simplificado (r + jx), definido por suposições de cargas uniformemente distribuídas, continuamente violadas e, em curto prazo, não mais representativas da rede.

8. Esquema elétrico de um regulador de tensão

9. Regulação de tensão • Princípios de regulação de tensão • Modelagem do regulador de tensão • Lógica de controle dos reguladores de tensão atuais • Procedimentos atuais de controle dos reguladores de tensão • Ajustes do LDC em sistemas com regulação remota • Avaliação dos procedimentos de ajuste do LDC • Proposições para ajustes da regulação de tensão em tempo real

10. Princípios de regulação de tensão • Padrões internacionais de regulação de tensão exigem que os sistemas de distribuição atendam a seus consumidores com uma tensão dentro de uma faixa prescrita de valores. • A ANEEL, através da resolução no 505, que dispõe sobre a conformidade dos níveis de tensão de energia elétrica em regime permanente, define que, em condição normal: • a tensão de atendimento deve situar-se entre 95% e 105% da tensão nominal de operação do sistema no ponto de entrega ou de conexão.

11. Modelagem do regulador de tensão V2 = V1 – IsZs – Vs Vd = V2 – IdZd–Vref Vs = Vd / n IL = Is–Id S1 = V1 .Is* S2 = V2 . IL* ANSI Tipo B

12. Lógica de controle dos reguladores de tensão atuais • Os controles atuais dos reguladores de tensão incorporam lógica digital e tecnologia microprocessada, normalmente de 8 bits, associadas a um conversor A/D. • A lógica de controle de operação é disparada sempre que a tensão medida no TP do regulador apresentar um valor fora de uma faixa pré-estabelecida de tensões de ajuste. • Por exemplo, entre 119 V e 121 V para uma tensão de base 120 V e uma largura de faixa de 2 V

13. Procedimentos atuais de controle dos reguladores de tensão: • 1. se a tensão no TP mover-se para um nível fora da faixa, a amostra do sinal, em formato digital, é fornecida ao P; • 2. o P, reconhecendo esta condição de tensão, dispara um circuito de tempo de retardo (tr) de 30 s; • 3. durante o tr, a tensão continua sendo medida. Se mover-se para a faixa, a operação de ajuste é encerrada. • 4. persistindo a condição fora de faixa, ao término do tr, uma mudança de tap é iniciada; • 5. após a mudança de tap, é feita uma pausa de 2 s. Após essa pausa, se a tensão ainda estiver fora da faixa, outra mudança de tap é iniciada. Este procedimento se repete até que a tensão volte para a faixa.

14. Ajustes do LDC em sistemas com regulação remota • Fórmulas sugeridas pela Cooper Power System, para ajuste de R e X do LDC • Onde: • Rs e Xs são a resistência e a reatância do LDC em Volts • RLe XL são a resistência e a reatância da linha em Ohms • Ict é a corrente nominal primária do TC em Ampères e • ntp é a relação de transformação do TP

15. Avaliação dos procedimentos de ajustes do LDC • Influencia negativamente no desempenho do regulador já que leva em conta apenas as quedas de tensão resistiva e reativa do regulador até o ponto de regulação. • Pressupõe o sistema equilibrado e que os transformadores presentes no alimentador funcionam em sua capacidade nominal. • Como não utiliza um fluxo de carga, faz uma aproximação considerando a carga total em um ponto médio, o que na prática, leva a erros de dimensionamento.

16. Proposições para ajustes da regulação de tensão em tempo real • O ajuste de tensão ideal seria aquele que fizesse com que todas as tensões do alimentador, a jusante do regulador, se igualassem as suas tensões nominais, mas, tecnicamente inviável. • Entretanto, segundo Medeiros e Pimentel, será possível, através da otimização de uma função objetivo, elevar o perfil de tensão, aproximando-o do perfil regular nominal. • Para tal, torna-se necessário embarcar, no regulador, todas as informações da rede que viabilizem, em tempo real, a execução de cálculos de fluxo de carga e de estimação de estado. Opção imaginada, a priori, com sérias restrições espaciais e temporais.

17. Proposições para ajustes da regulação de tensão em tempo real • A alternativa apresentada é de se obter, off line, a partir de cálculos de fluxos de cargas, dados que caracterizem o comportamento de um alimentador, quando submetido a variações de tensão ou de carga, que possam ser relacionados a parâmetros de sensibilidade das grandezas da rede e que viabilizem o embarque, no regulador, de um algoritmo de ajuste de tensão em tempo real. • Embora os reguladores possam fornecer medições de corrente e tensão em tempo real, buscou-se controlar o perfil de tensão da rede a partir, apenas, de medições de tensão.

18. Sistemas embarcados de tempo real • Conceitos gerais • Requisitos e definição do RTOS • Quadros comparativos de RTOS

19. Conceitos gerais • Um sistema de tempo real (RTS) se caracteriza por interagir continuamente com o seu ambiente, enviando respostas, em prazos específicos, a estímulos de entrada (sistema computacional reativo). • O atendimento desses prazos exige que um RTS e o seu RTOS apresentem requisitos precisos de natureza temporal onde, o seu funcionamento dependa não só da integridade dos resultados obtidos, precisão lógica, como também do tempo em que eles são produzidos, precisão temporal. • Uma reação que ocorra além do prazo especificado pode ser sem utilidade ou até representar uma ameaça iminente.

20. Requisitos e definição do RTOS • Na escolha do RTOS considerou-se, principalmente, requisitos que garantissem que a aplicação se comportasse como um sistema de tempo real crítico seguro a falhas, onde, o mais importante era a previsibilidade e não a rapidez de cálculo. • Outras funcionalidades, tais como escalonamento de tarefas e threads, tipo de scheduler, mecanismos de comunicação e sincronização entre tarefas, tratamento otimizado de interrupções e ports p/ processadores alvo reconfiguráveis influenciaram fortemente na escolha do RTOS. • Os RTOS analisados foram o eCos, o Salvo, o µC/OS II e o CMX-RTX. Optando-se pelo µC/OS II.

21. Quadros exemplos, comparativos de RTOS

22. Projetos Baseados em Plataforma (PBP) • Conceito e orientações gerais • Estratégias de Projetos Baseados em Plataforma • Metodologia de PBP centrada no meio de comunicação Avalon • Definição da Plataforma Alvo

23. Conceitos e orientações gerais • Pelas orientações atuais, para se ter alta produtividade e atender tempo de mercado, um projeto dedicado, para um certo domínio de aplicações, deve ser um PBP. • Surge aí o dilema da 1ª geração onde, uma plataforma está sendo pensada para um conjunto futuro de aplicações às quais, possam ser consideradas baseadas nesta plataforma. • Um 1º PBP não se limita a escolher e mapear IPs. Ele inclui o estudo da arquitetura e dos seus módulos construtivos onde, o comportamento global, a modelagem e as garantias de desempenho são críticos e devem ser bem avaliadas.

24. Conceitos e orientações gerais • A metodologia de PBP propõe uma arquitetura de co-design específica para um certo domínio de aplicações, que: • abstraia do projetista seus detalhes construtivos; • que seja altamente parametrizável; • que permita elevado grau de personalização; • e que enfatize o reuso de blocos previamente projetados e validados, denominados de ip cores (núcleos de propriedade intelectual).

25. Estratégias de Projetos Baseados em Plataforma • Dentre as estratégias de PBP destacam-se: • a baseada em padrões de barramentos, centrada no meio de comunicação (bus-centric); • a baseada na interface de comunicação (core-centric) e; • a baseada na adaptação da interface por uso de wrappers. • Estas duas últimas, não dependentes do barramento. • Optou-se pela 1ª estratégia e os padrões de barramentos analisados foram o CoreConnect, o AMBA e o Avalon. Optando-se pelo Avalon.

26. Metodologia de Projeto Baseado em Plataforma centrada no meio de comunicação Avalon • O padrão Avalon é uma arquitetura simples, de barramento único, o Avalon Switch Fabric, de alta performance, projetado para acomodar processadores da família NIOS e periféricos on-chip ou externos, em um ambiente SOPC. • Suas especificações definem transferências de dados entre componentes mestres e escravos onde, qualquer periférico mestre pode se conectar a qualquer periférico escravo e a largura dos dados é feita automaticamente (podendo chegar até 128 bits).

27. Metodologia de Projeto Baseado em Plataforma centrada no meio de comunicação Avalon

28. Definição da Plataforma Alvo

29. Definição das tensões de regulação baseada na linearização dos parâmetros de sensibilidade • Análise das tensões de regulação baseada na linearização dos parâmetros de sensibilidade • Cálculo dos parâmetros de sensibilidade • Validação dos parâmetros de sensibilidade • Algoritmo proposto para ajuste da tensão de regulação com o uso dos parâmetros de sensibilidade • Validação do algoritmo de ajuste da tensão de regulação com o uso dos parâmetros de sensibilidade • Interface gráfica GUI_DdAjuste • Módulo digital para simulação e ajuste da tensão de saída de um regulador monofásico

30. Análise das tensões de regulação baseada na linearização dos parâmetros de sensibilidade • A partir de cálculos de fluxos de carga realizados em alimentadores radiais de distribuição de energia elétrica reais constatou-se que: • para condições fixas de carga, uma variação na tensão de saída de um regulador se reflete, linearmente, para todos os nós localizados a jusante. Ou seja • Neste caso, a tensão estimada em um nó regulado j, em decorrência de uma medição de tensão no nó regulador i, será dada por:

31. Análise das tensões de regulação baseada na linearização dos parâmetros de sensibilidade • para uma condição fixa de tap de um regulador (ΔVit = 0) e excursões de carregamento no intervalo usual da curva de carga diária, as tensões nos nós, variam linearmente com a carga. Ou seja: e • Também neste caso, relacionando a tensão estimada em um nó j, em decorrência de uma medição de tensão no nó regulador i, se obtém: • ou seja:

32. Análise das tensões de regulação baseada na linearização dos parâmetros de sensibilidade • Constata-se portanto que: • com o monitoramento apenas da tensão de saída do regulador, através da medição da tensão fornecida pelo TP, será possível estimar a tensão em qualquer nó a jusante; • a estimativa da tensão em um nó remoto pode ser obtida levando-se em conta apenas o parâmetro de sensibilidade que relaciona as tensões no nó remoto e no nó regulador; • é dispensável a presença de qualquer circuito compensador de queda de linha.

33. Análise das tensões de regulação baseada na linearização dos parâmetros de sensibilidade

34. Análise das tensões de regulação baseada na linearização dos parâmetros de sensibilidade

35. Cálculo dos parâmetros de sensibilidade • A derivada parcial da tensão em um nó j, em relação à tensão em outro nó i, situado à montante, foi calculada isolando-se a tensão Vj na equação biquadrada • e derivando-a em relação a Vi • onde:

36. Cálculo dos parâmetros de sensibilidade • A derivada parcial da tensão em um nó j, em relação ao fator de carregamento foi calculada, a partir das equações • representativas das potências-somas nos nós, • derivando-as em relação a Fc • obtendo-se:

37. Validação dos parâmetros de sensibilidade • Para validar o uso dos parâmetros de sensibilidade, na definição do novo perfil de tensão de um alimentador, em resposta a uma variação de tensão ou de carregamento, foram feitas algumas análises em alimentadores reais: • Num primeiro exemplo de análise, foram levantados os perfis de tensão após uma elevação de tensão. • Num segundo exemplo de análise, foram levantados os perfis de tensão, depois de determinados aumentos de carga.

38. Validação dos parâmetros de sensibilidade O erro máximo foi de 0,7% para uma elevação aproximada de 15%

39. Validação dos parâmetros de sensibilidade O erro máximo foi de 3,0% para um aumento do carga de 50,0%

40. Algoritmo para ajuste da tensão de regulação com o uso dos parâmetros de sensibilidade • Monitorizar a tensão de saída do regulador até perceber uma variação de tensão superior a um degrau de tensão; • Estimar a tensão de saída do regulador para que a condição anterior à variação seja obtida; • Estimar os degraus, relativos a posição atual do tap, a elevar ou rebaixar; • Analisar o impacto de uma mudança de tap no perfil de tensão do alimentador; • Enviar comando para uma mudança de tap, caso nenhuma restrição tenha sido violada; • Redefinir o perfil de tensão da rede; • Voltar a executar o procedimento 1.

41. Validação do algoritmo de ajuste da tensão de regulação com o uso dos parâmetros de sensibilidade • Para validar o algoritmo de ajuste da tensão de regulação, com os parâmetros de sensibilidade, foram implementados: • uma interface gráfica, projetada no ambiente do MatLab com o nome de GUI_FdAjuste • um módulo digital, no ambiente de desenvolvimento Simulink MatLab, com o DSP Builder, que permite ajustar a tensão de saída de um regulador e simular o seu comportamento em tempo de operação.

42. Interface gráfica GUI_FdAjuste

43. Interface gráfica GUI_FdAjuste

44. Diagrama de blocos do módulo digital para simulação e ajuste da tensão de saída de um regulador monofásico

45. Implementação do módulo digital para simulação e ajuste da tensão de saída de um regulador monofásico

46. Implementação do módulo digital para simulação e ajuste da tensão de saída de um regulador monofásico

47. Implementação do módulo digital para simulação e ajuste da tensão de saída de um regulador monofásico

48. Implementação do módulo digital para simulação e ajuste da tensão de saída de um regulador monofásico

49. Implementação do módulo digital para simulação e ajuste da tensão de saída de um regulador monofásico

50. Avaliação dos efeitos causados por variações de tensões impostas nas saídas dos reguladores. • Em um banco regulador trifásico, em configuração Estrela Aterrada a amostra da tensão é sobre uma tensão de fase e a atuação do regulador é sobre uma tensão de fase. • Em bancos reguladores em Delta ou em Delta Aberto, o mesmo não acontece, a amostra da tensão é sobre uma tensão de linha, e a atuação é sobre uma tensão de fase.